(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス化容器を通して冷媒を流す複数の金属細長冷媒チャネルと、
前記金属細長冷媒チャネルを収納するように前記金属細長冷媒チャネルにわたって配置された複数のセラミックシースであって、前記金属細長冷媒チャネルの全長を覆い、前記金属細長冷媒チャネルに接続されていない、複数のセラミックシースと、
を備えるガス化容器内で使用するライナ。
【請求項２】
前記セラミックシースが、セラミック及びセラミックマトリックス複合材料からなる群の少なくとも１つで形成されることを特徴とする請求項１に記載のライナ。
【請求項３】
前記セラミックシースの外側面に堆積したスラグ層を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のライナ。
【請求項４】
前記セラミックシースが、セグメント化されることを特徴とする請求項１に記載のライナ。
【請求項５】
前記セラミックシースが、そぎ継ぎ及び実矧ぎからなる群の少なくとも１つによって相互に連接されることを特徴とする請求項４に記載のライナ。
【請求項６】
前記金属細長冷媒チャネルのそれぞれが、第１の直径を有する先端部と、第２の直径を有する終端部と、を有し、前記第２の直径が前記第１の直径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のライナ。
【請求項７】
前記金属細長冷媒チャネルにわたって前記セラミックシースを所定の位置に保持するための複数の小片を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のライナ。
【請求項８】
前記金属細長冷媒チャネルが、前記ライナの全長に沿って延びることを特徴とする請求項１に記載のライナ。
【請求項９】
容器と、
複数の金属細長冷媒チャネルを有したライナであって、前記金属細長冷媒チャネルのそれぞれが先端部および終端部を有する、ライナと、
前記複数の金属細長冷媒チャネルのそれぞれの先端部を連接する金属フランジと、
前記複数の金属細長冷媒チャネルのそれぞれを取り囲むように前記金属細長冷媒チャネルにわたって配置された複数のセラミックシースであって、前記金属細長冷媒チャネルの全長を覆い、前記金属細長冷媒チャネルに接続されていない、複数のセラミックシースと、
を備えたガス化装置。
【請求項１０】
前記セラミックシースが、セグメント化されることを特徴とする請求項９に記載のガス化装置。
【請求項１１】
前記セラミックシースが、そぎ継ぎ及び実矧ぎからなる群の少なくとも１つによって相互に連接されることを特徴とする請求項１０に記載のガス化装置。
【請求項１２】
前記セラミックシースが、単体セラミック及びセラミックマトリックス複合材料からなる群の少なくとも１つで形成されることを特徴とする請求項９に記載のガス化装置。
【請求項１３】
前記金属細長冷媒チャネルの前記先端部のそれぞれが第１の直径を有し、前記細長チャネルの前記終端部のそれぞれが第２の直径を有し、前記第２の直径が前記第１の直径よりも大きいことを特徴とする請求項９に記載のガス化装置。
【請求項１４】
前記金属細長冷媒チャネルにわたって前記セラミックシースを所定の位置に保持するための複数の小片を更に含むことを特徴とする請求項９に記載のガス化装置。
【請求項１５】
前記セラミックシースの外側面に堆積したスラグ層を更に含むことを特徴とする請求項９に記載のガス化装置。
【請求項１６】
ガス化装置の細長冷媒チャネルのそれぞれにわたって第１のセラミックシースを配置するステップと、
前記細長冷媒チャネルを通して冷媒を流すステップと、
を含む請求項９に記載のガス化装置の冷却方法。
【請求項１７】
小片を用いて前記細長冷媒チャネルの所定の位置に前記第１のセラミックシースを保持するステップを更に含むことを特徴とする請求項１６に記載の冷却方法。
【請求項１８】
前記第１のセラミックシースにわたってスラグ層を堆積させるステップを更に含むことを特徴とする請求項１６に記載の冷却方法。
【請求項１９】
前記細長冷媒チャネルにわたって第２のセラミックシースを配置するステップを更に含むことを特徴とする請求項１６に記載の冷却方法。
【請求項２０】
そぎ継ぎ及び実矧ぎからなる群の少なくとも１つを用いて前記第２のセラミックシースを前記第１のセラミックシースに固定するステップを更に含むことを特徴とする請求項１９に記載の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭或いは他の炭素含有物質を合成ガスへ変換するガス化装置の容器内において使用されるライナに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス化プロセスは、石炭或いは他の炭素含有物質を合成ガスへ変換するステップを含んでいる。石炭は天然ガスや天然油に比べて安価であるので、ガス化技術の開発には大きな経済的なインセンティブがある。既存のガス化技術における問題点は、一般的に資本コストが高いことや利用効率が比較的低いことである。利用効率は、装置が稼動して製品を生産する時間の長さを指している。利用効率が低い一つの理由は、複雑で短寿命のガス化ライナの設計にある。現在、ガス化装置に使用されているライナとしては、耐熱ライナ、薄膜ライナ、再生冷却ライナがある。耐熱ライナは毎年耐火物の交換が必要であり、利用効率は約９０％である。薄膜ライナは耐熱ライナよりも長寿命であるが、ライナが複雑であるため、ガス化装置のコストが２〜３倍にもなる。
【０００３】
再生冷却ライナもガス化プロセスに用いられ、一般的に、耐熱ライナや薄膜ライナに替わる低コスト、長寿命のライナである。これらの利点は、再生冷却ライナの壁面にスラグ層を凍結させることによりもたらされる。耐熱ライナや薄膜ライナを使用するガス化プラントに比べて、再生冷却ライナは、ガス化プラントで生成される電力、水素及び合成ガスのコストを大幅に低減させる。再生冷却ライナの例は、特許文献１（Ｓｐｒｏｕｓｅ）に開示されており、本願の参考となる。
【特許文献１】米国特許第６９２０８３６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
再生冷却ライナは、耐熱ライナ及び薄膜ライナと比較してガス化技術における顕著な利点を有するが、再生冷却ライナの使用における一つの技術的な課題として、ライナの熱膨張の管理がある。セラミックで形成されるライナは、通常、ガス化装置の金属裏当て構造に取り付けられる。それ故に、ガス化装置の内部温度が上昇すると、セラミックライナと金属裏当て構造の熱膨張の割合が一致しなくなる。
【０００５】
再生冷却ライナに関する別の課題は、閉ループの（再生可能な）冷却回路を確立するために必要な金属／セラミックの特定の接合を実施することである。更に、ライナの僅かな割れが、ガス化の性能および効率を変化させ、コジェネレーション（ｃｏｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）能力を排除してしまう危険性がある。
【０００６】
従って、セラミック／金属の接合及びセラミック／金属の熱膨張の不一致という課題に対応した、セラミックライナの利点を活かせるガス化装置ライナが要求されている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ガス化容器内で使用する熱膨張を制御したライナは、複数の細長チャネルおよび複数のセラミックシースを含んでいる。細長チャネルは、ガス化装置を通して冷媒を流す。セラミックシースが細長チャネルを囲む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、ガス化反応装置１０の断面図を示し、該ガス化反応装置１０は、冷媒チャネル１２、典型的なライナ１４、金属圧力容器１６、断熱材１８、インジェクタ２０、冷媒入口マニホールド２２、急冷部２４及び反応チャンバ２６を通常含む。ガス化反応装置１０にライナ１４を使用することで、他のライナに代わる低コストのライナを実現し、ガス化反応装置１０の寿命を延ばすことができる。ライナ１４を用いると、熱膨張の不一致はもとより、金属／セラミックの接合の問題や、漏れを生じさせる割れの伝播を軽減あるいは解消することができるので、ガス化プロセスにおける種々の技術的なリスクも減少できる。ガス化反応装置１０におけるライナ１４の構成は、冷媒チャネル１２の構造の完全性も向上させる。ライナ１４は、ダンプクールライナ冷却方式、即ち冷媒をガス化装置の終端部でガス化流出物として排出する方式、及び再生冷却ライナ方式、即ち冷媒が閉ループで循環する方式のいずれに使用されてもよい。
【０００９】
冷媒チャネル１２は、容器１６の全長にわたって伸び、先端部２８、終端部３０及び本体３２を有している。冷媒チャネル１２は、取付フランジ４４に連接され、この取付フランジ４４は、容器１６と、インジェクタ２０と、冷媒入口マニホールド２２と、にメカニカルシール３４によって接している。ダンプクールライナ方式を示す図１から分かるように、冷媒チャネル１２は、容器１６内の温度変化に応じて軸方向にも半径方向にも自由に膨張、収縮できるように容器１６に吊り下げられる。再生冷却ライナ構造の場合には、冷媒チャネル１２の終端部３０が冷媒出口マニホールドに結合されている。いずれの場合でも、ライナ１４は冷媒チャネル１２に結合していないので、セラミックと金属の接合部品における典型的な課題である熱膨張の不一致や接合の問題を解消できる。反応チャンバ２６の内部温度が約２０００°Ｆ（約１０９３℃）〜６０００°Ｆ（約３３１６℃）に達するので、冷媒チャネル１２及びライナ１４に沿った温度は、冷媒チャネル１２を流れる冷媒の許容範囲に維持されなければならない。実施例においては、冷媒チャネル１２は金属でできており、長さが約１０〜３０フィート（約３．０５〜９．１４メートル）で、内径は約１．５〜６インチ（約３８．１〜１５２．４ミリメートル）である。
【００１０】
ライナ１４は、冷媒チャネル１２を覆い、ガス化反応装置１０の腐食性且つ高温の環境から冷媒チャネル１２を遮蔽する。ライナ１４は、反応チャンバ２６内でガス化反応に曝されている冷媒チャネル１２のほぼ１００％を覆っている。ライナ１４で覆われていない冷媒チャネル１２の露出している金属は全て、インジェクタ２０の表面或いは急冷部２４における急冷スプレーによって十分に冷却されるか保護されるので、この金属は腐食しない。実施例においては、ライナ１４はセラミックス或いはセラミックマトリックス複合材料を含む材料で構成されている。ただし、これに限定されるものではない。セラミックマトリックス複合材料のシースの熱膨張は、約１．７Ｅ−０６インチ／インチ−°Ｆ〜３．３Ｅ−０６インチ／インチ−°Ｆである。
【００１１】
容器１６は急冷部２４の上方に位置しており、反応チャンバ２６を含んでいる。容器１６は、ガス化反応装置１０の冷媒チャネル１２、ライナ１４および断熱材１８を収納している。断熱材１８は、ライナ１４と容器１６との間に位置し、冷媒チャネル１２、ライナ１４及び容器１６の温度を動作限度内に維持することに役立っている。ライナ１４に適する温度範囲は、約１０００°Ｆ（約５３８℃）〜２０００°Ｆ（約１０９３℃）である。ライナ１４に特に適する温度範囲は、約１２００°Ｆ（約６４９℃）〜１８００°Ｆ（約９８２℃）である。図１では、断熱材１８がライナ１４に直接取り付けられているように図示されているが、断熱材１８はライナ１４に直接取り付けられなくてもよい。
【００１２】
冷媒入口マニホールド２２は、冷媒を冷媒チャネル１２へ供給し、インジェクタ２０と冷媒チャネル１２の先端部２８との間に含まれている。冷媒入口マニホールド２２から冷媒チャネル１２へ流れる冷媒が容器１６内に流入すること、または該冷媒が容器１６外の大気へ流出することを防ぐために、冷媒チャネル１２は、この冷媒チャネル１２がインジェクタ２０をシールし、冷媒チャネル１２が容器１６をシールし、かつ容器１６がインジェクタ２０をシールするようにシールされている。冷媒チャネル１２の先端部２８は、インジェクタ２０に僅か数インチだけ取り付けられていて、インジェクタ２０と冷媒チャネル１２との間に程よい荷重をもたらしている。ガス化反応装置１０が冷媒入口マニホールド２２を含むように述べてきたが、ガス化反応装置１０は、代替的に、本発明の意図する範囲を逸脱しないで、マニホールドなしで構成されてもよいし、或いは異なる構造のマニホールドで構成されてもよい。
【００１３】
運転時には、冷媒はインジェクタ２０から冷媒入口マニホールド２２を通って流れ、冷媒チャネル１２の先端部２８に導入される。冷媒チャネル１２とインジェクタ２０の連接部及び冷媒チャネル１２と容器１６の連接部において冷媒の小さな漏れがあるかもしれないが、冷媒は最終的には容器１６に流出するのでこのような漏れは容認できる。別の構成では、冷媒チャネル１２は冷媒マニホールドに接合されており、メカニカルシール３４の代わりに漏れを防止する。冷媒が冷媒チャネル１２を通過する際に、冷媒は反応チャンバ２６から熱を奪い冷媒チャネル１２を冷却する。ダンプクールライナ構成では、冷媒チャネル１２の終端部３０は容器１６内に吊り下げられ、冷媒は最終的には急冷部２４の直上流の容器１６内に放出される。再生冷却ライナ構成では、冷媒チャネル１２の終端部３０が、冷媒を容器１６外に導くマニホールドに接合されている。適切な冷媒の一例は、水蒸気、窒素、二酸化炭素及び合成ガスなどであるが、これに限定されるものではない。冷媒の適切な温度範囲は、約１００°Ｆ（約３８℃）〜１２００°Ｆ（約６４９℃）である。水冷媒の特に好適な温度範囲は、約１５０°Ｆ（約６６℃）〜４００°Ｆ（約２０４℃）である。ガス冷媒の特に好適な温度範囲は、約６００°Ｆ（約３１６℃）〜１０００°Ｆ（約７６０℃）である。
【００１４】
冷媒は、ライナ１４の露出した内側面３８に沿ってスラグ層３６が凝結できる速度で冷媒チャネル１２を通って流れる。スラグ層３６は、反応チャンバ２６を流れる高カーボン燃料中の灰分でできている。ガス化反応装置１０が作動する高温度においては、灰分はスラグとなる。冷媒チャネル１２を流れる冷媒の温度は充分に低く、露出した内側面３８上でスラグ層３６が凝固できる温度にライナ１４を維持する。もしライナ１４の一部が剥離しても、スラグ層３６が、反応チャンバ内の高速粒子による磨耗や、反応チャンバ２６内のガス相の反応種による化学的侵食から冷媒チャネル１２を保護する。或いは、もしスラグ層３６が、冷媒チャネル１２の露出した内側面３８に沿って堆積しない場合には、磨耗に耐えられるように硬化或いはコーティングされ、且つ化学的侵食に耐えうる表面温度を達成するように冷却された、露出した金属で冷媒チャネル１２が形成されてもよい。
【００１５】
ダンプクールライナ構成では、冷媒チャネル１２からの冷媒の出口速度によって、冷媒チャネル１２の終端部３０にスラグのドリップリップ４０が設けられる。このスラグのドリップリップ４０は、冷媒が冷媒チャネル１２の終端部３０から出るときの膨張及び急激な冷却の結果によるものであり、スラグが冷媒チャネル１２の終端部３０に堆積することを防ぐ。この様に、スラグのドリップリップ４０の存在は、冷媒チャネル１２の終端部３０からスラグを除去するのに要するメンテナンスの時間と経費を軽減するとともに、冷媒が冷媒チャネル１２を出て急冷部２４に入るのをスラグによって塞ぐことを防いでいる。
【００１６】
図２は、ダンプクールライナ構成における冷媒チャネル１２及びライナ４２の第１の実施例の斜視図である。図２から分かるように、冷媒チャネル１２の先端部２８は、円形断面を有する取付フランジ４４によってインジェクタ２０（図１に表示）に取り付けられている。この様に、冷媒チャネル１２は、すべての冷媒チャネル１２の先端部２８同士、終端部３０同士がそれぞれ整列して円形断面を構成するように配置されている。ライナ４２は、複数のシース４６で組立てられて冷媒チャネル１２を覆うように配置されている。個々のシース４６は先端部４８と終端部５０を有している。シース４６は冷媒チャネル１２の周囲に配置されており、それぞれの長さは冷媒チャネル１２の長さよりも短い。従って、冷媒チャネル１２が実質的にシース４６で覆われるように複数のシース４６を冷媒チャネル１２にわたって配置する必要がある。シース４６は冷媒チャネル１２の上に“浮いて（ｆｌｏａｔ）”おり、これによりシース４６と冷媒チャネル１２との間の熱膨張の差を遮断し、セラミック／金属の接合をなくしている。
【００１７】
図３は、冷媒チャネル１２及びライナ４２の第１の実施例の部分断面図を示している。ライナ４２は、それぞれの冷媒チャネル１２にわたって滑り込み、かつ小片５２により所定の位置に保持される複数のシース４６を含んでいる。シース４６の先端部４８と終端部５０の直径は同一である。冷媒チャネル１２の先端部２８をフランジ４４内に配置するときに、冷媒チャネル１２の各々にわたってシース４６用の空間が配置されるように、この先端部２８は離間している。冷媒チャネル１２の長さ及びシース４６の長さにより、冷媒チャネル１２を実質的に全て覆うには多数のシース４６を冷媒チャネル１２の周囲に配置する必要がある。シース４６で冷媒チャネル１２の露出した領域のほぼ１００％を覆う必要がある。このように、ガス化装置１０（図１に図示）内でガス化反応に曝されている部分以外の全ての冷媒チャネル１２をシース４６で覆う必要がある。インジェクタ２０及び取付フランジ４４（図１に図示）で隠されてしまう先端部２８及び膨張した冷媒や急冷スプレーにより隠される終端部３０のみが覆われない部分である。更に、ガス化装置１０内で冷媒チャネル１２がどのように配置されているかに拠るが、冷媒チャネル１２の先端部２８及び終端部３０における僅かな領域が、露出されている必要がある。前述したように、シース４６は単体セラミック或いはセラミックマトリックス複合材料で構成されている。シース４６を繊維強化セラミックで構成することのメリットは、この材料が単体セラミックよりも強く、脆くもないことにある。図３は、ライナ４２の全てのシース４６が同じ長さを有するように描かれているが、シース４６は本発明の主旨から逸脱することなしに、異なる長さであってもよい。
【００１８】
シース４６は、先端部２８から終端部３０、或いは終端部３０から先端部２８、のいずれかで冷媒チャネル１２の周りに滑り込まされ、冷媒チャネル１２に配置されることができる。実質的に全ての冷媒チャネル１２を覆うために、十分なシース４６を冷媒チャネル１２にわたって滑り込ませた後、小片５２を用いて冷媒チャネル１２の所定の位置にシース４６を固定する。小片５２は、本技術分野で知られている任意の方法で冷媒チャネル１２に連接されてもよい。この方法としては溶接やろう付が含まれるが、これに限るものではない。
【００１９】
図４Ａ及び図４Ｂは、ライナ４２の継ぎ目５４の第１の実施例及び第２の実施例の拡大図をそれぞれ示しており、以下に両者を一緒に議論する。図３に示すように、冷媒チャネル１２を覆うためには多数のシース４６が必要である。冷媒チャネル１２をガス化装置１０（図１に図示）の化学物質から適切に保護するためには、冷媒チャネル１２で隣り合うシース４６同士を適切に接合しシールするための継ぎ目５４が使用される。適用できる継ぎ目５４の２つの実施例は、そぎ継ぎ５４ａ（図４Ａ）及び実矧ぎ５４ｂ（図４Ｂ）である。図４Ａおよび図４Ｂでは、シース４６の連接にそぎ継ぎ及び実矧ぎを示しているが、周知の継ぎ目でも、本発明の意図した範囲を逸脱することなしに使用することができる。
【００２０】
図５は、冷媒チャネル１２ａ及びライナ５６の第２の実施例の部分断面図である。ライナ５６は、冷媒チャネル１２ａを収納する複数のシース４６ａで構成されている。冷媒チャネル１２ａ及びシース４６ａは、冷媒チャネル１２ａの終端部３０ａがフレア状になっており、小片を使用しなくてもシース４６ａを冷媒チャネル１２ａの所定の位置に保つことができることを除けば、冷媒チャネル１２及びシース４６と同様に相互に作用して機能する。従って、冷媒チャネル１２ａの終端部３０ａがフレア状になっているために、冷媒チャネル１２ａの終端部３０ａに滑り込ませるためにシース４６ａの終端部５０ａもまたフレア状になっていなければならない。図５では、シース４６ａは一体化したものとして示されているが、冷媒チャネル１２ａのフレア状の終端部３０ａにフレア状の終端部５０ａを有するシース４６ａが配置されてさえいれば、冷媒チャネル１２ａを保護するために複数のシース４６が使用されてもよい。更に、図１〜図５は、ダンプクールガス化装置の冷媒チャネルを示しているが、説明したライナは任意の構成を有する冷媒チャネルに適用できる。例えば、冷媒チャネル１２の終端部３０が少なくとも１つのマニホールドに一緒に接合されている、従来の熱交換器設計を利用するガス化装置にこのライナを使用してもよい。
【００２１】
ガス化装置においてよく見られる、金属とセラミックの接合の問題、漏れの問題及び熱膨張の違いの問題は、ガス化装置の冷媒チャネルにわたって配置されたセラミックシースで形成されたライナを用いることにより、軽減ないしは解消される。セラミックシースは単体セラミック或いはセラミックマトリックス複合材料で形成することができる。セラミックシースは冷媒チャネルを囲い、実質的に冷媒チャネルの全長を覆う。このライナは、種々の構成の冷媒チャネルを有するガス化装置に使用することができる。
【００２２】
本発明を好適な実施例を参照して説明したが、当業者であれば、本発明の真意と範囲から逸脱することなしに形状や詳細を変更し得ることは自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ライナを有するガス化装置の典型的な実施例の図である。
【図２】冷媒チャネルおよびライナの第１の実施例の斜視図である。
【図３】冷媒チャネルおよびライナの第１の実施例の部分断面図である。
【図４Ａ】ライナの継ぎ目の第１の実施例の拡大図である。
【図４Ｂ】ライナの継ぎ目の第２の実施例の拡大図である。
【図５】冷媒チャネルおよびライナの第２の実施例の部分断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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